超低溫截止閥的密封要求
上海申弘閥門有限公司
之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現在介紹超低溫截止閥的密封技術超低溫截止閥是應用于低溫工況下的截止設備，一般工況溫度在-100℃以下.低溫工業在工業領域中占有重要的地位，以天然氣為例，為了使天然氣更加方便運輸，工業上一般用降溫和壓縮的方法將氣化天然氣轉化為液化天然氣（LNG），在標準大氣壓下的沸點是-162℃，氣化后體積為液態時的600倍［1］。超低溫截止閥作為低溫工業用的一種主要閥門與重要截止設備，對其密封結構的設計與研究具有重大的意義.704研究所通過大量的研究試驗，針對-196℃超低溫工況，研制出了可在此溫度環境中工作的超低溫閥門樣機（見圖1）。
1 超低溫截止閥對材料的要求
圖1 超低溫截止閥樣機
在常溫工況下應用的閥門，材料選擇的范圍比較廣泛。超低溫截止閥的使用工況在-100℃以下，對材料的要求較為嚴格。在工作溫度下，材料不應產生低溫脆性破壞，材料的組織結構應穩定，以防止材料相變而引起體積變化；采用焊接結構時，材料的焊接性能要好，在低溫下焊縫具有較高的可靠性；閥門在低溫工況下頻繁啟閉，其閥瓣、閥桿、閥座等零部件應避免卡阻、咬合與擦傷等現象?；谏鲜鲆?，低溫截止閥主要零件推薦選用的材料如表1［2］。
1超低溫截止閥的密封要求低溫閥門的設計要求
根據使用條件，低溫閥的設計有下列要求：
1.1閥門不應成為低溫系統的一個顯著熱源。這是因為熱量的流入除降低熱效率外，如流入過多，還會使內部流體急速蒸發，產生異常升壓，造成危險。
1.2低溫介質不應對手輪操作及填料密封性能產生有害的影響。
1.3直接與低溫介質接觸的閥門組合件應具有防爆和防火結構。
1.4在低溫下工作的閥門組合件無法潤滑，所以需要采取結構措施，以防止摩擦件擦傷。
2 超低溫截止閥主密封結構設計
超低溫截止閥采用閥瓣與閥座接觸的錐面密封結構，密封副設計成金屬對金屬的硬密封形式，閥座設計在閥體上，和閥體組成一體結構，如圖2所示。為保證閥門的可靠密封，在閥瓣和閥體密封面上噴焊硬質合金。經過低溫試驗及涂層力學性能試驗，證明噴涂后硬度增加，低溫環境耐磨性能良好，促進閥門在低溫環境的可靠密封。經過查閱資料和實驗應用，我們采用等離子噴焊技術對閥體密封面噴焊SliteNo6合金，對閥瓣密封面噴焊SliteNo12合金，厚度≥1mm。經過噴焊工藝處理，附著SliteNo12合金的閥瓣密封面的硬度較附著SliteNo6合金的閥體密封面的硬度大，有利于截止閥的密封效果。
2低溫閥的材料選用
2.1低溫閥主體材料
2.1.1主體材料選用應考慮的因素
從金相考慮，金屬材料中除了具有面心立方晶格的奧氏體鋼、銅、鋁等以外，一般的鋼材在低溫狀態下會出現低溫脆性，從而降低閥門的強度和使用壽命。選擇主體材料時首先要選用適合于低溫下工作的材料。
鋁在低溫下不會出現低溫脆性，但因鋁及鋁合金的硬度不高，鋁密封面的耐磨、耐擦傷性能差，所以在低溫閥門中的使用有一定的限制，僅在低壓和小口徑閥中選用。除此以外，低溫閥門的材料選用還應考慮以下一些因素：
1）閥門的zui低使用溫度；
2）金屬材料在低溫下保持工作條件所需要的力學性能，特別是沖擊韌性、相對延伸率及組織穩定性；
3）在低溫及無油潤滑的情況下，具有良好的耐磨性；
4）具有良好的耐蝕性；
5）采用焊接連接時還需考慮材料的焊接性能。
2.1.2閥體、閥蓋、閥座、閥瓣（閘板）材料的選用
這些主體零部件材料的選用原則大致是：溫度高于-100℃時選用鐵素體鋼；溫度低于-100℃時選用奧氏體鋼；低壓及小口徑閥門可選用銅和鋁等材料。設計時根據zui低使用溫度選擇適當的材料。 
2.1.3閥桿及緊固件的材料選用
溫度高于-100℃時，閥桿和螺栓材料采用Ni、，Cr-Mo等合金鋼，經適當的熱處理，以提高抗拉強度和防止螺紋咬傷等。溫度低于-100℃時，采用奧氏體不銹耐酸鋼制造。但18-8耐酸鋼硬度低，會造成閥桿與填料相互擦傷，致使填料處泄漏。所以，閥桿表面必須鍍硬鉻（鍍層厚0.04-0.06mm），或進行氮化和鍍鎳磷處理，以提高表面硬度。
為防止螺母與螺栓咬死，螺母一般采用Mo鋼或Ni鋼，同時在螺紋表面涂二硫化鉬。
2.2低溫閥墊片、填料材料的選用
在低溫閥門設計中，一方面由結構設計來保證使填料處于接近環境溫度下工作，例如，采用長頸閥蓋結構，使填料函離低溫介質盡量遠些，另一方面在選擇填料時要考慮填料的低溫特性。低溫閥中一般采用浸漬聚四氟乙烯的石棉填料。柔性石墨是新近發展起來的一種優良的密封材料。低溫閥門也可采用無填料的波紋管密封結構，通常情況下使用多層波紋管。低溫閥門用墊片必須在常溫、低溫及溫度變化下具有可靠的密封性和復原性。由于墊片材料在低溫下會硬化和降低塑性，所以應選擇性能變化小的墊片材料。使用溫度為-200℃，低溫zui高使用壓力3MPa時，采用長纖維白石棉的石棉橡膠板。使用溫度為-200℃，zui高使用壓力5MPa時，采用耐酸鋼帶夾石棉纏制而成的纏繞式墊片，或聚四氟乙烯和耐酸鋼帶繞制而成的纏繞式墊片。柔性石墨與耐酸鋼繞制而成的纏繞式墊片用于-200℃的低溫閥門上比較理想。
超低溫截止閥的密封要求圖2 主密封結構圖
由于超低溫截止閥的使用工況在-100℃以下，閥瓣和閥體在噴焊硬質合金后，要進行深冷處理.本文設計的超低溫截止閥樣機的閥體與閥瓣粗加工后，浸在-196℃的液氮中保冷2h，然后取出自然處理。另外，閥桿、長頸閥蓋、螺紋緊固件等主要部件在精加工前均進行深冷處理。
超低溫截止閥的閥桿帶動閥瓣通過上下的直線運動實現閥門的啟閉。在設計閥體時增加了閥瓣的運動導向功能，在閥體中設計圓柱形導向壁，使閥瓣運動平穩，閥門啟閉可靠。同時，在閥門生產加工過程中，由于閥瓣密封面與閥體密封面均噴焊了Slite合金，硬度大大提高，密封面的加工及研磨有一定的難度，而主密封面必須要的研磨配合，才能有效密封。導向壁的設計使閥瓣與閥體密封面的接觸配合更加均勻，有利于實現截止閥的可靠密封與加工工藝。
根據超低溫截止閥主密封結構，使用ANSYS軟件對其密封性能進行模擬。超低溫截止閥在低溫狀態下，通過有限元分析得到的密封比壓，來判斷該閥門的密封性能。
幾何建模為了使建立的模型便于有限元分析，實際模型對一些不影響結構與性能分析的部分進行了一定的簡化，如螺孔、螺栓、墊片等。同時為防止管路兩端的約束影響到閥體本身，將進出口外接管路各加長了0.3m，建立的三維模型如圖3所示。
圖3 密封性能模型有限元建模仿真通過定義閥門的材料性能參數、邊界條件、載荷條件等內容，進行仿真計算，密封面比壓分布如圖4所示。
由仿真結果得到，超低溫截止閥在低溫工況下，其密封面的密封比壓介于必須比壓和許用比壓范圍之內，閥門的密封結構可以實現有效密封。
3 超低溫截止閥外密封結構設計
圖4 密封性能模型
超低溫截止閥的外密封包括中法蘭處的密封和長頸閥蓋頂端的密封（即上密封）。外密封結構見圖5與圖6。3低溫閥門的特殊結構
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥 低溫閥門主要有閘閥、截止閥、球閥、蝶閥、止回閥等型式，其主要結構與一般閥門大致相同。 3.1閥體
閥體應能充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮。而且閥座部位的結構不會因溫度變化而產生*變形。
3.2閥蓋
采用長頸閥蓋結構。其目的在于能起保護填料函的功能。因為填料函的密封性是低溫閥的關鍵之一。該處如有泄漏。將降低保冷效果，導致液化氣體氣化。這是因為在低溫狀態下隨著溫度的降低，填料彈性逐漸消失，防漏性能隨之下降，由于介質滲漏造成填料與閥桿處結冰，影響閥桿正常操作，同時也會因閥桿上下移動而將填料劃傷，引起嚴重泄漏。所以低溫閥門必須采用長頸閥蓋結構形式。此外，長頸結構還便于纏繞保冷材料，防止冷能損失。 3.3閥瓣
閘閥采用撓性閘板或開式閘板；截止閥的平閥座及針形閥，采用塞子形的閥瓣。這些結構形式不論溫度如何變化，均能保持可靠的密封。3.4閥桿
閥桿需鍍鉻、鍍鎳磷或經氮化處理，以提高閥桿表面硬度，防止閥桿與填料、填料壓套（壓蓋）相互咬死，損壞密封填料，造成填料函泄漏。 3.5墊片
墊片選用要考慮墊片材料的低溫性能，如壓縮回彈性、預緊力、緊固壓力分布以及應力松弛特性等。
3.6填料函及填料
填料函不能與低溫段直接接觸，而設在長頸閥蓋頂端，使填料函處于離低溫較遠的位置，在0℃以上的溫度環境下工作。這樣，提高了填料函的密封效果。在泄漏時，或當低溫流體直接接觸填料造成密封效果下降時，可以從填料函中間加入潤滑脂形成油封層，降低填料函的壓差，作為輔助密封措施。填料函多采用帶有中間金屬隔離環的二段填料結構。但也有的采用一般閥門填料函結構和閥桿能自緊的二重填料函結構等其他型式。
3.7上密封
低溫閥都設上密封座結構，上密封面要堆焊鈷鉻鎢硬質合金，精加工后研磨。
3.8閥座、閥瓣（閘板）密封面
低溫閥的關閉件采用鈷鉻鎢硬質合金堆焊結構。軟密封結構由于聚四氟乙烯膨脹系數大，低溫變脆，所以僅適用于溫度高于-70℃的低溫閥，但聚三氟乙烯可用于-162℃的低溫閥。
3.9中法蘭螺栓
3.9.1螺栓應有足夠的強度，這是因為螺栓在反復載荷下工作，常會因疲勞而產生斷裂。
3.9.2因螺栓在螺紋根部易引起應力集中，所以采用全螺紋結構的螺栓。
3.10預防異常升壓的措施
閥門關閉后，閥腔內會殘留一些液體。隨著時間的增加，這些殘留在閥腔里的液體會漸漸吸收大氣中的熱量，回升到常溫并重新氣化。氣化后，其體積激劇膨脹，約增加600倍之多，因而產生*的壓力，并作用于閥體內部。這種情況稱為異常升壓，這是低溫閥門*的現象。發生異常升壓現象時，會使閘板緊壓在閥座上，導致閘板不能開啟。這時，高壓會將中法蘭墊片沖出或沖壞填料；也可能引起閥體、閥蓋變形，使閥座密封性顯著下降；甚至閥蓋破裂，造成嚴重事故。為防止異常升壓現象發生，一般低溫閥門在結構上采用以下措施：
3.10.1設置泄壓孔，又稱壓力平衡孔或排氣孔，即在彈性閘板或雙閘板進口側鉆一小孔，作為閥超低溫截止閥中法蘭處采用不銹鋼纏繞式墊片實現密封。按照其密封所必須的比壓計算出施加于法蘭螺栓的力矩，通過預緊力達到可靠的密封。螺栓處加裝碟型彈簧，對預緊力和位移進行補償。
螺紋連接的擰緊力矩計算用力矩扳手正規測定擰緊力矩時，所需力矩為［3］：
T=K•F0•d（Nm） （1）
式中，F0為單個螺栓的拉應力（N）；K為擰緊力矩系數，取0.2；d為螺紋公稱直徑。以螺紋規格為M16，數量為6個為例計算，可得力矩T=47Nm。由理論計算，可在閥門裝配過程中，使用力矩扳手對中法蘭處的螺栓施加47Nm的力矩。
經過試驗，閥門在常溫與低溫時，中法蘭處密封良好。但是，超低溫截止閥經過拆檢，纏繞式墊片可能會因多次受到法蘭的擠壓而變形，失去密封效果。中法蘭墊片為易損件，應備有備件用于拆檢安裝時的更換。超低溫截止閥閥桿上部采用填料密封+閥桿錐面密封的雙重密封結構。該結構可實現在閥門*開啟的狀態下，金屬硬密封與填料軟密封的雙重效果。閥門啟閉過程中及關閉狀態時，此處密封由填料單獨實現。
閥桿密封處設計為錐面（此處設計為45°，亦可根據實際情況設計為其他角度），研磨后，通過外部的驅動力使閥桿的錐面壓緊在長頸閥蓋內部的同角度錐面上，實現密封效果。
超低溫截止閥上密封由填料單獨實現時，通過計算得出填料壓蓋施加于填料的預緊力，并在螺栓上加裝碟型彈簧，提供預緊力和位移的補償，克服由于高低溫變化填料產生的微觀脹縮及密封預緊力的改變。
填料壓蓋螺栓連接的擰緊力矩可參照公式1計算。以此處兩個M12的螺栓計算為例，得力矩T=28Nm。在裝配時，可使用力矩扳手對此處的螺栓施加28Nm的力矩。
4 結語
綜上所述，超低溫截止閥的密封技術在設計上是可行的，加工工藝可以實現.目前，704研究所已研制出超低溫截止閥樣機一臺，并對樣機進行了常溫和超低溫的試驗。在現有成果的基礎上，繼續進行系列化超低溫閥門的技術研究，對低溫工業及超低溫領域的開發與探索都具有深遠的意義。低溫閥門，特別是超低溫閥門，其工作溫度極低。在設計這類閥門時，除了應遵循一般閥門的設計原則外，還有一些特殊的要求。與本文相關的產品有美標鈦截止閥
